Trascorse parte della sua infanzia in Australia, un'esperienza che doveva necessariamente alterare la sua sensibilità di ragazza svedese provinciale. Ritornata in Svezia a Stoccolma, ancora adolescente, cominciò a recitare e girò, ad appena 19 anni, Spasimo (Hets, 1944), diretto da Alf Sjöberg, dove si fece notare per la sua interpretazione straordinariamente matura. Continuò a recitare per altri 15 anni in Svezia, Gran Bretagna, Germania e a Hollywood, senza però mai ritagliarsi uno spazio significativo. A proposito della recitazione soleva dire: «Un attore non è un artista; un artista è qualcuno che crea. Un attore è uno che aspetta una telefonata che gli dica per cosa lavorare e nove volte su dieci non è entusiasta di quello che gli propongono e allora ha la scelta tra il compromesso e ...il rifiuto».
Passare alla regia oggi sembra un fatto normale, ma se si tiene presente che la Zetterling prese questa decisione una ventina d'anni fa e se si considera la sua oscura carriera di attrice di quegli ultimi anni, allora si può davvero apprezzare il coraggio e l'intraprendenza con cui tentò una strada di tradizionale ed esclusivo dominio maschile. Si diede a realizzare documentari in collaborazione con il suo secondo marito, David Hughes (il primo era stato il ballerino Tutte Lemkow). Gli agenti cinematografici si burlavano di lei, eppure approdò alla BBC: s'inaugurò così un periodo quinquennale di esperimenti cinematografici, a basso costo, personali e oscuri. Appartengono a questi primi Anni Sessanta: un documentario sulla Lapponia, vista come terra di sfruttamento della Svezia; un film sugli zingari della Camargue; uno studio sull'Islanda; un ritratto inedito di Stoccolma, carico di strali critici contro il decantato socialismo svedese. Nessuno dei film fu remunerativo, tuttavia la Zetterling impegnò tutto quanto possedeva in un'allegoria di 15 minuti, The War Game (1963), che vinse un premio alla Mostra di Venezia.
Il momento decisivo della sua carriera di regista si verificò nel 1964 con Gli amorosi, il suo primo lungometraggio, tratto da un romanzo di Agnes von Krusenstjerna e interpretato da Harriet Andersson, Gunnel Lindblom e Anita Björk. Ambientato nel reparto ginecologico di una clinica, narra la storia di tre donne attraverso la tecnica del flash-back. L'epoca è quella degli Anni Venti, e la fotografia di Sven Nvkvist ne ricrea l'atmosfera con intensa partecipazione. Nel 1965 la grande critica Penelope Houston elogiò il film in 'Sight and Sound', ma fece un'osservazione che doveva perseguitare la regista per tutta la sua carriera: «Sesso e tetraggine, ostetriche e betulle: possiamo accettare tutto ciò da Bergman, ma non ancora da Miss Zetterling».
Più barocco, più ostile verso gli uomini e più apertamente volto alla descrizione della patologia sociale e sessuale fu Giochi di notte (1966) tratto da un romanzo scritto da lei stessa. Si direbbe un Sorrisi di una notte d'estate (1955. Il film attirò molta attenzione, ma il successivo, Doctor Glass (1967), non ebbe larga diffusione. Mai Zetterling si stava avviando verso posizioni femministe più radicali e in Donne del 1968 mostra tre attrici che, durante le prove di 'Lisistrata', rimeditano la loro vita.
Durante gli Anni settanta la sua produzione ha avuto un triste declino, con l'eccezione di due opere notevoli. Ciò che l'occhio non vede (Visions of Eight, 1973), il film sulle Olimpiadi del 1972, contiene un pezzo di bravura eccezionale nell'episodio Il più forte (The Strongest), dedicato ai sollevatori di pesi, dove la regista ha espresso al contempo il lato ridicolo di tanta forza e la dignità insita in tutti gli eccessi. In Vincent the Dutchman (1972), con Michael Gough nella parte di Van Gogh, è stato un suo omaggio all'arte.